Areologia jest dyscypliną naukową i techniczną, obejmującą :

1. Procesy wytwarzania lub odtwarzania tradycyjnych i zaawansowanych warstw powierzchniowych- warstw wierzchnich i powłok, zarówno technologicznych jak i eksploatacyjnych w celu uzyskania na powierzchni materiału rodzimego (rdzeń) jednej lub kilku kolejnych warstw wierzchnich lub na powierzchni podłoża (rdzeń + powłoka) jednej lub kilku nanoszonych powłok, w wyniku oddziaływania fizycznego lub chemicznego materiału rodzimego z dostarczonym z zewnątrz materiałem w postaci gazu, cieczy lub ciała stałego

2. Zjawiska i właściwości warstw powierzchniowych

3. Efekty użytkowe, na które w trakcie eksploatacji można dodatkowo wpływać

4. Konstruowanie warstw powierzchniowych pod kątem uzyskiwania żądanych właściwości, w tym również przy wykorzystywaniu matematycznych metod modelowania i symulacji

Areologia zajmuje się całokształtem działań naukowych i technicznych, mających na celu konstruowania, projektowanie, wytwarzanie i rekonstruowanie oraz badanie i stosowanie warstw powierzchniowych technologicznych i eksploatacyjnych o innych, lepszych niż rdzeń właściwościach, głównie: przeciwściernych, przeciwkorozyjnych, przeciwzmęczeniowych i dekoracyjnych, ale również optycznych, termofizycznych, elektrycznych, magnetycznych, adhezyjnych, katalitycznych, dyfuzyjnych i innych

Chronologicznie powłoki kolejno nanoszono w celach:

-dekoracyjnych: płatkowe, lakiernicze, galwaniczne

-ochronnych: przed korozją, natryskowe, ogniowe

-funkcjonalnych np. elektroiskrowe, nanoszone metodami CVD i PVD

Platerowanie polega na pokryciu podłoża materiałem powłokowym w postaci płyty lub taśmy i ich ściśnięciu

Osadzanie próżniowe najpierw niezjonizowanych a później zjonizowanych par metali i gazów na podłoża metalowe dzieli się na dwie grupy metod: chemiczną i fizyczną

Osadzanie chemiczne, obejmujące grupę metod CD wychodzi się z wysokotemperaturowych metod obróbki cieplno-chemicznej prowadzonych pod ciśnieniem atmosferycznym, jednak odróżnia się tym, że faza gazowa halogenków dyfunduje nieznacznie do podłoża, a głównie osadza się na nim w postaci powłoki. Proces przebiega w zakresie temperatur 300-1400 °C przy obniżonym ciśnieniu

Osadzanie fizyczne obejmujące grupę metod PVD wywodzi się z I połowy XIX w. i wiąże się z trzema wydarzeniami:

-0kryciem i wprowadzeniem przez M. Faradaya pojęcia jon

-odkryciem w 1852r zjawiska rozpylania jonowego

-przypadkowym odkryciem 1857 przez M. Faradaya zjawiska naparowania termicznego w próżni.

Naparowanie w tej postaci nie nadawało się do zwiększenia trwałości większości części maszyn i narzędzi, jednak stanowiło podstawę do rozwoju metod nazwanych w II połowie ubiegłego wieku metodami PVD

Osadzanie z fazy gazowej jest jednym ze sposobów otrzymywania nanomateriałów, w szczególności nanokryształów.

W komorze próżniowej odparowywany jest materiał, z którego zamierza się otrzymać nanokryształy. Przy zderzeniach atomu metalu (M) z atomami gazu szlachetnego (He), atomy metalu kondensują w postaci drobnych cząstek na ściankach zimnego tygla chłodzonego ciekłym azotem. Otrzymany proszek jest następnie prasowany na zimno i spiekany.

Rys. Schemat komory do osadzania z fazy gazowej w warunkach ultra wysokiej próżni (UHV): a) oporowo grzane źródło parowania, b) "zimny palec", c) napęd skrobaka, d) skrobak, e)komora do prasowania proszków, f) stempel, g)matryca do prasowania, h) śluza do wyjmowania wypraski

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej CVD (Chemical Vapour Deposition)

CVD polega na osadzaniu materiału powłokowego z fazy gazowej, na podłożu zachodzą reakcje chemiczne.

Tradycyjne metody CVD wymagają stosowania wysokich temperatur koniecznych do rozkładu gazowych reagentów (rzędu 900 - 1100°C lub nawet większych) i/lub do przebiegu reakcji chemicznych - umożliwiających tworzenie się warstw, co znacznie ogranicza zakres ich wykorzystania.

W metodzie CVD warstwa nowego materiału tworzy się na powierzchni ogrzewanego podłoża na wskutek reakcji chemicznych zachodzących w fazie gazowej lub w fazie pary (g):

AB_(g) +CD_(g) = AC_(s) +BD_(g)

Mechanizm powstawania warstw jest bardziej skomplikowany niż przedstawiony powyżej. Na mechanizm składa się szereg reakcji, zachodzących w fazie gazowej jak i na granicy faz ciało stale - gaz. Reakcje te są determinowane termodynamicznie i kinetycznie. Zasadniczą role spełnia tutaj temperatura prowadzenia procesu. Oprócz tego na tworzenie się warstw i ich właściwości wpływają takie parametry procesu jak: ciśnienie i skład gazu wprowadzanego do układu, czystość reagentów, przygotowanie powierzchni materiału, itd.

Jako źródła pierwiastków, z których ma powstać warstwa, stosuje się różne substraty gazowe jak i ciekle - zwane prekursorami, którymi mogą być wodorki, halogenki (głównie chlorki), karbonylki a także lotne związki metaloorganiczne, krzemoorganiczne itp. Prekursory w formie gazu lub pary doprowadza się do komory reaktora najczęściej za pomocą tzw. gazów nośnych obojętnych (np. argon, hel) jak i/lub gazów nośnych które mogą brać udział w reakcjach chemicznych prowadzących do powstania warstw (np. azot, metan, wodór, amoniak , tlen ) lub mieszaniny tych gazów.

Zakres temperatury CVD:

tradycyjne metody CVD: 800 - 1000°C,

nowoczesne metody CVD: 500 - 700°C,

nowoczesne techniki CVD: <800°C (temperatura procesu-substratu),

450°C - temperatura osadzania nanowarstw.

Połączenie adhezyjno - dyfuzyjne powłoki do podłoża. Nanoszone warstwy mogą być monokrystaliczne, polikrystaliczne, lub amorficzne.

Układ do nanoszenia warstw metodą CVD:

Układ, w którym zachodzi proces CVD, skałda się z trzech zasadniczych części:

• układu dozującego reagenty chemiczne

• reaktora

• układu utylizującego odpady poreakcyjne

Strefy w przestrzeni reaktora:

strefa przepływu strumienia głównego - wymuszony przepływ reagentów w kierunku równoległym do powierzchni podłoża

strefa tzw. warstwy granicznej na granicy podłoże - faza gazowa (strefa graniczna) w której występuje inna koncentracja reagentów, inne prędkości przepływu i inna temperatura w stosunku do przepływu głównego strumienia reagentów - zachodzi tu dyfuzja, transport gazowych reagentów ze strumienia głównego do podłoża.

Na skutek przebiegu reakcji chemicznych warstwa gazu zostaje zubożona o składniki biorące udział w reakcjach. Powstają znaczne gradienty stężeń, które wymuszają transport reagentów w kierunku podłoża. Transport ten zależy też od gradientu temperatury i szybkości przepływu strumienia głównego.

W warstwie granicznej mogą przebiegać reakcje homogeniczne - powstają produkty pośrednie aktywne względem podłoża.

Produkty tych reakcji mogą odgrywać znaczącą rolę w krystalizacji powłoki, wpływając na szybkość wzrostu, jak i jej jakość. Przy dużym przesyceniu prowadzą do powstania i wzrostu zarodków w fazie gazowej a następnie osadzania się na podłożu w postaci proszku.

W wysokiej temperaturze podłoża w krystalizacji powłoki duży wpływ na jej własności mają procesy dyfuzyjne na granicy powłoka - podłoże, które prowadzą do powstania warstwy przejściowej, zwiększającej adhezję powłoki do podłoża.

Etapy procesu CVD:

1. Transport substratów (wymuszona konwekcja) do komory.

2. Transport substratów (dyfuzja) ze strumienia gazu do podłoża.

3. Adsorpcja substratów na podłożu.

4. Procesy powierzchniowe( dekompozycja substratów lub reakcje, migracja, wiązanie z podłożem.

5. Desorpcja produktów ubocznych reakcji.

6. Transport produktów (dyfuzja) do strumienia gazu z podłoża.

7. Transport produktów (wymuszona konwekcja) z komory.

Wpływ szybkości przepływu gazów na szybkość wzrostu warstwy

Techniki otrzymywania powłok CVD:

Technika MOCVD

Technika MOCVD (Metallorganic CVD) ma zastosowanie w elektronice do osadzania warstw półprzewodnikowych. Prekursorami są związki metaloorganiczne takie jak alkile (metylki i etylki metali grupy III) czy wodorki, które rozkładają się we względnie niskich temperaturach (< 800°C). W taki sposób otrzymane warstwy są bardzo cienkie i zwykle epitaksjalne. Niska temperatura procesu MOCVD przydatna jest przy osadzaniu związków odpornych na ścieranie i korozję na podłożach stalowych.

Technika PACVD:

Chemiczne osadzanie z fazy gazowej ze wspomaganiem plazmowym (Plasma Assisted CVD) jest techniką bardzo atrakcyjną ze względu na niską temperaturę procesu, możliwość osadzania nierównowagowych faz oraz lepszą kontrolę nad stechiometrią i czystością pokryć. Niską temperaturę procesu osadzania warstw uzyskuje się dzięki wzbudzeniu przy pomocy plazmy cząstek mieszaniny gazowej do energii zgodnej z termicznym wzbudzeniem. Wówczas nierównowagowa reakcja, w wyniku której osadza się żądany produkt, może wystąpić w temperaturze o wiele niższej (poniżej 600°C).

Plazma generowana jest w polu elektrycznym między dwoma równoległymi płytkami, z których jedna jest katodą, a druga, na której znajdują się podłoża, jest uziemiona. W procesie PACVD stan plazmy można podtrzymywać dwoma sposobami, stałoprądowym lub zmiennym (o częstotliwości radiowej) wyładowaniem jarzeniowym.

Technika LCVD:

>Technika LCVD (Laser CVD) głównie używana jest w dziedzinie mikroelektroniki. Pobudzenia składników gazowych dokonuje się za pomocą wiązki laserowej padającej na reaktor. Energia wiązki laserowej jest pochłaniana przez całą objętość reaktywnych gazów znajdujących się nad podłożem. Wzbudzone cząstki mieszaniny gazowej podczas przechodzenia do stanu o wyższej energii ulegają jonizacji skutkiem czego jest powstanie wysokoaktywnych składników. Reakcje chemiczne mające miejsce w tak wzbudzonym gazie pozostają w znacznie niższej temperaturze.

Zalety CVD

Pomimo trudności w ujęciu ilościowym procesów zachodzących w czasie osadzania, metody CVD znalazły zastosowanie ze względu na swoje zalety:

• Możliwośc otrzymywania związków o złożonym składzie chemicznym i wysokiej temperaturze topnienia, w stosunkowo niskich temperaturach,

• Możliwośc otrzymywania warstw danego związku o róznorodnych formach krystalicznych,

• Warstwy o wysokiej czystości,

• Warstwy o znanych grubościach.

Technika VPE:

VPE (Vapour Phase Epitaxy) polega na osadzaniu zorientowanej warstwy krystalicznej na podłożu monokrystalicznym. Warunki prowadzenia procesu wzrostu- temperatura, ciśnienia cząsteczkowe reagentów w fazie gazowej oraz dopasowanie sieci krystalicznej podłoża i warstwy monokrystalicznej decydują, czy narasta warstwa polikrystaliczna czy też amorficzna. Technika ta znalazła zastosowanie głównie w elektronice do osadzania materiałów półprzewodnikowych.

Zastosowanie metod CVD:

• ostrza pokryte TiN

• proszek CeO₂ (produkt uboczny) ziarna <1nm

• nanorurki węglowe otrzymywane metodą CVD

• nanotuby węglowe do zastosowań katalitycznych

• warstwy diamentopodobne (mają bardzo złą adhezję do podłoża, tylko metody CVD)

• tlenek CeO₂, itru, cynku

• implantacja warstw diamentopodobnych

• warstwy na okulary